ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ ВИПРЯМЛЯЧІВ

 

МЕТА РОБОТИ

 

Вивчити принцип роботи та дослідити характеристики однофазних випрямлячів.

 

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОМСТІ

 

Випрямлячі призначені для перетворення змінного струму в постійний. Однофазні випрямлячі застосовують для живлення електронної апаратури. Розрізняють однопівперіодний, двопівперіодний з нульовим виводом і двопівперіодний мостовий однофазні випрямлячі.

Найпростіший однопівперіодний випрямляч (рисунок 2.1) складається з трансформатора Т, діода VD і ємнісного фільтра (конденсатора С). Трансформатор призначений для перетворення напруги мережі U₁до необхідного значення U₂,при якому забезпечується живлення електричних кіл електронної апаратури. Діод пропускає струм в одному напрямку, завдякичому в навантаженні виникає пульсуюча напруга. Ємнісний фільтр зменшує пульсації випрямленої напруги. Випрямлячі називають однопівперіодними тому, що в них використовується половина вхідного сигналу (половина періоду).

 

 

 

Рисунок 2.1 – Схема однопівперіодного випрямляча

Впродовж першої чверті періоду напруги U₂ , коли потенціал точки aдодатний відноcно потенціалів точок ста b, діод відкритий і в навантаженні протікає струм. Одночасно відбувається заряд конденсатора. Якщо врахувати, що опір діода в прямому напрямку досить малий (спад напруги на діоді складає ~ 0,6 В, а постійна часу заряду конденсатора – частки мілісекунд ), тоді практично вся напруга U₂ прикладена до навантаження U_н ≈ U₂ (рисунок 2.2). У другому півперіоді потенціал точки а від’ємний відносно потенціалу точки с. При такій полярності діод ввімкнений в зворотному напрямку. Опір закритого діода великий, а тому розряд конденсатора відбувається тільки через навантаження. При цьому зменшення напруги на навантаженні залежить від постійної часу розряду конденсатора. Ефективність роботи випрямляча характеризується коефіцієнтом пульсацій р, який визначається відношенням амплітуди основної гармоніки U_{макс.осн} до середнього значення випрямленої напруги U_ср. Значення коефіцієнта пульсацій однопівперіодного випрямляча без згладжувального фільтра становить:

р₀ = U_{макс. осн} / U_ср = 1,57. (2.1)

 

 

 

Рисунок 2.2 – Часові діаграми напруг однопівперіодного випрямляча

 

Збільшення ємності конденсатора призводить до зменшення коефіцієнта пульсацій. Для отримання мінімального за значенням коефіцієнта пульсацій використовують згладжувальні фільтри типів: RC, LC і транзисторні. Основним параметром, що характеризує згладжувальний фільтр, є коефіцієнт згладжування q, який визначається відношенням коефіцієнтів пульсацій на вході та виході фільтра :

q = p_вх /p_вих . (2.2)

 

В радіоелектронній апаратурі застосовують двопівперіодні випрямлячі (мостовий та з виводом середньої точки трансформатора ), в яких на відміну від однопівперіодних випрямлячів напруга U_Нстворюється двома півперіодами напруги мережі. Мостовий двопівперіодний випрямляч (рисунок 2.3), складається з трансформатора Т, діодів VD₁–VD₄ ( які з’єднані за мостовою схемою) та конденсатора С.

В першій половині періоду ( рисунок 2.4 ) напруги U₂,коли потенціал точки а вторинної обмотки додатний відносно потенціалу точки b, а також і точки с, діоди VD₁, VD₃ відкриті, а діоди VD₂, VD₄ закриті. При цьому струм протікає від точки а вторинної обмотки трансформатора через діод VD₁, навантаження R_н, конденсатор С (конденсатор заряджається), діод VD₃ до точки b ( рисунок 2.3 ).

В другій половині періоду, коли потенціал точки b більший від потенціалу точки а, діоди VD₁ і VD₃ закриті і струм протікає від точки b через діод VD₂, навантаження R_н ,конденсатор С (конденсатор заряджається), діод VD₄ до точки а вторинної обмотки трансформатора.

 

Рисунок 2.3 – Схема двопівперіодного мостового випрямляча

 

 

Рисунок 2.4 – Часові діаграми напруг двопівперіодного випрямляча.

 

Схема двопівперіодного випрямляча з виводом середньої точки трансформатора приведена на рисунку 2.5.

 

 

Рисунок 2.5 – Схема двопівперіодного випрямляча з

виводом середньої точки трансформатора

Значення коефіцієнта пульсацій обох випрямлячів без згладжувального конденсатора:

р₀ = U_{макс. осн} / U_ср = 0,67. (2.3)

Важливою оцінкою випрямлячів, як будь-якого джерела енергії, є його зовнішня характеристика U_н = F( I_н ).

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Дослідити однопівперіодний випрямляч.

Відтворити осцилограми напруги U_нвипрямляча без фільтра, а також при наявності різних типів фільтрів . Для вказаних випадків виміряти змінну U_змта постійну U _пост складові напруги U_н. Результати записати в таблицю 2.1.

Для побудови зовнішньої характеристики випрямляча різних типів фільтрів дослідні дані записати в таблицю 2.2.

2. Дослідити один з двопівперіодних випрямлячів за методикою п.1.

Таблиця 2.1

Тип фільтра	Без фільтра	С1	С2	RС	LС	Транзист.
Однопів- періодний випрямляч	U зм, В
U пост, В
р, %
q
Двопів- періодний випрямляч	U зм, В
U пост, В
р, %
q

Таблиця 2.2

	С- фільтр	І н, мА
U н, В
RС- фільтр	І н, мА
U н, В
L С- фільтр	І н, мА
U н, В
Транзисторний фільтр	І н, мА
U н, В
	С- фільтр	І н, мА
U н, В
RС- фільтр	І н мА
U н, В
L С- фільтр	І н, мА
U н, В
Транзисторний фільтр	І н, мА
U н, В

 

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

 

1.Зобразити осцилограми напруги U_нвипрямляча без фільтра, а також при наявності різних типів фільтрів.

2.Розрахувати значення коефіцієнтів пульсацій р та згладжування q випрямлячів:

р = U_зм/ U _пост (2.4)

 

Результати записати в таблицю 2.1.

3.Побудувати зовнішні характеристики однопівперіодного та двопівперіодного випрямлячів з різними типами фільтрів .

Зробити висновок про виконану роботу.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Яке призначення випрямлячів?

2. Поясніть роботу однопівперіодного випрямляча.

3. Поясніть роботу двопівперіодного випрямляча.

4. Яка фізична суть коефіцієнта пульсації р ?

5. Вкажіть переваги і недоліки різних типів згладжувальних фільтрів.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Дослідження трифазних випрямлячів

МЕТА РОБОТИ

Вивчити принцип роботи та дослідити характеристики трифазних випрямлячів.

 

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Трифазні випрямлячі використовуються як джерела електричної енергії постійного струму середньої та великої потужності.

Практичного застосування набули дві схеми трифазних випрямлячів: трифазна з нульовим виводом (схема Міткевича); трифазна мостова (схема Ларіонова).

Схема Міткевича приведена на рисунку 3.1, а, яка живиться від мережі через трифазний трансформатор Т, вторинні обмотки якого з’єднані зіркою.

 

 

VD1

Рисунок 3.1 – Схема трифазного випрямляча з нульовим виводом (а) та часові залежності струмів і напруг (б)

 

Аноди випрямляючих діодів підיєднують до виводів вторинної обмотки, а спільна точка катодів підיєднана до навантаження. Кожен з випрямляючих діодів відкривається і пропускає струм, коли на його аноді буде більший додатний потенціал напруги і працює 1/3 частину періоду напруги мережі живлення. Середнє значення струму кожного випрямляючого діода втричі менше за середнє значення струму навантаження І₀: І_VD = І₀ / 3.

Точки а, b, с, (рисунок 3.1, а, б) називають точками природної комутації. В них відбувається перемикання випрямляючих діодів, які проводять струм. В інтервалі часу t₁ – t₂ проводить струм діод VD₁ фази А, оскільки напруга и_а на ньому має найвищий потенціал; у проміжку часу t₂ – t₃ проводить струм діод VD₂ і т. д. Середнє значення випрямленої напруги трифазної схеми з нульовим виводом дорівнює:

 

U₀ = 1,17 U_2ф, (3.1)

 

де U_2ф – діюче значення фазної напруги на вторинній обмотці трансформатора.

Максимальна зворотна напруга, прикладена до випрямляючих діодів:

U_{зв.макс.} = U_{2ф макс.} =U_2ф = 2,1U₀. (3.2)

 

Випрямлена напруга U₀ має три пульсації за період наруги мережі (m = 3), отже, коефіцієнт пульсації випрямленої напруги становить:

 

К_п = 2/(m² - 1) = 0,25, (3.3)

 

а частота пульсації випрямленої напруги:

 

f_п = m f_мер. = 3ּ50 = 150 . (3.4)

 

Випрямляч за такою схемою використовують для навантаження зі струмами понад 100 А. недоліком схеми Міткевича є вимушене підмагнічування осердя трансформатора постійною складовою струму, що призводить до насичення осердя і зниження ККД.

схема Ларіонова, в якій відсутні вище приведені недоліки, зображена на рисунку 3.2, а. точка зיєднання катодів діодів VD₁, VD₃, VD₅ є додатним полюсом. Під час роботи схеми відкритий той випрямляючий діод, на аноді якого в даний момент часу буде найвищий потенціал. Точка зיєднання анодів діодів VD₂, VD₄, VD₆ є відיємним полюсом випрямляча. З цієї групи відкритий той з діодів, на катоді якого в даний момент часу найвищий від’ємний потенціал. Отже, у будь-який момент часу в схемі пропускають струм два діоди: один з катодної, а другий – анодної груп.

Криві випрямленої напруги, струму навантаження, а також струму через кожен з діодів при роботі випрямляча на активне навантаження приведені на рисунку 3.2, б. З графіків видно, що кожна пара діодів пропускає струм 1/3 частину періоду напруги мережі живлення, тому середнє значення струму кожного з діодів втричі менше за середнє значення струму навантаження:

І_VD = І_о/3. (3.5)

 

 

а)

б)

Рисунок 3.2 – Схема трифазного мостового випрямляча (а) та часові залежності струмів і напруг (б)

 

Кратність пульсації випрямленої напруги m = 6, а коефіцієнт пульсації:

 

К_п = 2/(m² - 1) = 0,057. (3.6)

 

Частота пульсації:

f_п = m f_мер. = 6ּ50 = 300. (3.7)

 

 

Середнє значення випрямленої напруги:

U₀ = 2,34 U_2ф. (3.8)

 

Максимальна зворотна напруга на діодах:

 

U_{зв. макс} = 1,045U₀. (3.9)

 

Для отримання такого самого значення U₀ у схемі Ларіонова необхідна вдвічі менша напруга на вторинних обмотках трансформатора, а ніж у схемі з нульовим виводом.

У трифазній мостовій схемі малі пульсації випрямленої напруги, відсутнє вимушене підмагнічування осердя трансформатора, оскільки струм у вторинних обмотках протікає два рази за період у протилежних напрямках.

Недоліком схеми є необхідність використання більшої кількості діодів (шість), а також те, що струм навантаження протікає через два послідовно ввімкнені діоди. Це призводить до зниження ККд при низьких значеннях випрямленої напруги.

Основні співвідношення параметрів трифазних випрямлячів при активному навантаженні приведені в таблиці 3.1.

 

Таблиця 3.1

Співвідношення   Назва схеми	І2/І0	U2/U0	ІVd /І0	Uзв.макс./ U0	ST/Р0	Кп
З нульовим виводом (схема Міткевича)	0,583	0,855	0,33	2,09	1,35	0,25
Мостова (схема Ларіо-нова)	0,82	0,425	0,33	1,045	1,05	0,057

 

Трифазний трансформатор Т випрямляча узгоджує середню випрямлену напругу U₀ з перетвореною діючою лінійною напругою U, між якими в режимі холостого ходу наступне співвідношення:

U₀ = Usіn≈ 1,35U, (3.10)

або

U ≈ 0,74 U₀ . (3.11)

 

Значення діючої зворотної напруги, прикладеної до катоду і аноду впродовж від’ємного півперіоду, в трифазній двопівперіодній схемі

дорівнює:

U_зв = U ≈ 0,74 U₀, (3.12)

а її амплітуда

U_{зв. макс} = U ≈ 1,045U₀. (3.13)

 

Середній випрямлений струм дорівнює :

 

І_VD = І₀ / 3. (3.14)

 

середній струм І₀ випрямляча пов’язаний з діючим лінійним струмом І залежністю:

І₀ = І ≈ 1,22 І . (3.15)

 

Знаючи номінальні напругу U_н0 і струм І_н0 випрямляча можна, користуючись вище приведеними формулами, вибрати відповідний тип напівпровідникових діодів і скласти схему їхнього зיєднання для перетворення змінного струму в постійний.

Зовнішня характеристика випрямляча U₀ = F(І₀) (залежність середньої випрямленої напруги від середнього струму навантаження із заданим коефіцієнтом потужності) знімається при діючій лінійній напрузі U = const та частоті f = const. Вигляд її залежить від значення спадів напруг в обмотках трансформатора і діодах, а також від характеру навантаження.

Економічність роботи трифазного випрямляча визначається коефіцієнтом потужності:

(3.16)

і ККД

, (3.17)

 

де Р₁ – активна потужність трифазного випрямляча зі сторони мережі; U і І – діючі лінійні напруга і струм; U₀ і І₀ – середні випрямлені напруга і струм.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Зібрати схему для дослідження трифазного випрямляча

(рисунок 3.3).

2.Розімкнути однополюсний вимикач SВ, повністю ввести навантажувальний реостат R_н і після перевірки правильності з’єднань замкнути триполюсний автоматичний вимикач QF. Записати покази приладів в таблицю 3.2 (дослід №1).

3.Ввімкнути однополюсним вимикачем SВ навантажувальний реостат і регулюючи опір R_н , встановлювати струм І₀ до 25, 50, 75, 100 і 125% від номінального струму випрямляча. Покази приладів записати в таблицю 3.2 (дослід № 2÷6).

 

Таблиця 3.2

№ досліду	Напруга U, В	Струм І, А	Активна потужність, Вт	Напруга U0, В	Струм І0, А
ІА	ІС	РАВ	РСВ

 

 

 

Рисунок 3.3 – Схема установки для дослідження

трифазного випрямляча (схема Ларіонова)

 

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

1.Розрахувати відношення лінійної напруги U до середньої випрямленої напруги U₀ для режиму холостого ходу випрямляча і порівняти його із значенням, отриманим за формулою: U ≈ 0,74 U₀.

2.Зобразити в масштабі форму кривої випрямленої напруги.

3.Розрахувати для всіх дослідів: середнє арифметичне значення лінійних струмів І, активну потужність Р₁ = Р_АВ + Р_СВ, коефіцієнт потужності cos φ, потужність навантаження Р₀ = U₀І₀ і ККД установки η. Результати розрахунків записати в таблицю 3.3.

 

Таблиця 3.3

№ досліду	Напру-га U, В	Струм І, А	Потуж-ність Р1, Вт	cos φ	Нап- руга U0, В	Струм І0, А	Потуж-ність Р0, Вт	ККД η

 

4. Накреслити графіки функцій: І = F ₁ (І₀); Р₁ = F ₂ (І₀); U₀ = F ₃ (І₀);

cos φ = F₄ (І₀); η = F₅ (І₀) при U = const, f = const. визначити з них номінальні дані всіх перелічених величин і записати в таблицю 3.4.

 

Таблиця 3.4

Струм Ін, А	Потужність Р1н, Вт	Напруга U0н, В	cos φ н	ηн

 

5. Розрахувати в процентах зміну середньої випрямленої напруги ∆U₀, при переході від режиму холостого ходу випрямляча до його номінального навантаження.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Призначення трифазних випрямлячів.

2. Частота пульсацій випрямленої напруги трифазних випрямлячів.

3. В якій залежності знаходяться напруга змінного і випрямленого струмів випрямляча, зібраного за трифазною двопівперіодною схемою?

4. Що називають зовнішньою характеристикою випрямляча?

5. Яка особливість роботи трифазних випрямлячів?

6.Який недолік схеми Міткевича?

7.Як визначають коефіцієнт пульсації для схеми Міткевича та Ларіонова?

8.Які переваги схеми Ларіонова над схемою Міткевича?